室内稳定流试验

室内稳定流试验（共4篇）

室内稳定流试验 篇1

山东半岛属于低山丘陵区,暖温带湿润季风气候,70%~80%的年降雨量集中出现在7-8月份,而枯水季节出现河水断流和枯涸现象,经统计该区人均水资源占有量为291.2m3,水资源利用率不足30%,属于较为严重的缺水地区。为了有效利用雨洪资源,山东半岛建设了一批地下水回灌工程,其中反滤回灌井是最常用的一种回灌设施[1]。反滤回灌井是一种自身具有一定净水能力的特殊回灌井,适用于上部为壤黏土、下部为砂层或砂与壤土互层的地层,一般布置在河道内或回灌渠内。反滤回灌井由回灌池和普通的回灌井组成,其回灌井位于回灌池底部中心处,回灌池是一个上大下小的四方台形的土坑,坑内回填砂、砾石2层反滤料,使其具有过滤水中颗粒和杂质的能力。当水流流经回灌池时,河水渗入回灌池,经过滤后进入回灌井内,并转化为地下水。

如何提高回灌设施的回灌能力是回灌工程设计的一个重要问题。目前,在提高回灌设施的回灌能力方面,主要集中在2点:一是减少回灌设施和含水层的堵塞,二是提高回灌设施的单位回灌量。前者是目前地下水回灌研究的热点,后者研究较少。

在回灌设施和含水层堵塞方面,代表性的研究有:林学钰分析了人工回灌过程中地下水主要溶质组分的变化趋势和相关水岩反应[2];黄修东研究了井灌过程中可能发生的物理、生物堵塞[3];郑西来研究了悬浮固体颗粒对含水介质堵塞的机理[4];Li Ma在回灌池中用干、湿循环和保持低水头的办法,以减少生物堵塞[5];N.Phien-wej分析了回灌水中携带空气引起的堵塞、回灌水与自然地下水化学不相容引起的堵塞、回灌水中悬浮颗粒引起的堵塞[6];A.F.Bichara研究了不同条件下承压含水层回灌井堵塞的规律[7]。

在提高回灌设施的单位回灌量方面,代表性的研究有:A.K.Rastogi采用伽辽金有限元方法分析了矩形、正方形、正六边形、圆形、正三角形等回灌池的回灌效果,得出等面积、等回灌率和其他条件相同的情况下,矩形回灌池的回灌量最大[8];李旺林研究了反滤回灌井单井回灌量的定量计算方法[9],分析了现有反滤回灌井存在的主要问题,探讨了如何提高反滤回灌井单井回灌量的问题[10],并介绍了多面进水反滤回灌井及单井回灌量的计算方法[11]。

本文在分析现有反滤回灌井存在问题的基础上,以提高大单井回灌量为前提,设计了3种新型对偶反滤回灌井,研制了室内稳定流回灌试验装置,进行了普通回灌井、现有反滤回灌井和3种对偶反滤回灌井的室内稳定流回灌试验研究。这有助于进行反滤回灌井单井回灌量的定量计算和提高反滤回灌井的回灌能力,对于地下水库回灌工程设计具有重要的现实意义。

1 对偶反滤回灌井设计

新型对偶反滤回灌井设计的基本原则和方法如下。

(1)尽可能地增加回灌池的过水断面面积。反滤回灌井由回灌井和回灌池2部分组成。对于目前的反滤回灌井,其回灌井的可回灌量相对较大,而回灌池的渗入水量过于偏低[10,11],制约了反滤回灌井的单井回灌量。因此,如何提高回灌池的渗入水量是提高现有反滤回灌井回灌量的重要因素。提高回灌池的渗入水量的途径有2个:一是选用更大渗透系数的反滤材料,这方面潜力不大,如选土工织物代替砂反滤层,其渗透系数相当或略微增大;二是增加回灌池的过水断面面积,这方面很有潜力。

现有反滤回灌井回灌池的入渗断面只有顶面,对于一个外径0.8m的回灌井,其回灌池顶面面积已达3.9m×3.9m=15.21m2,如再继续增大回灌池表面面积,占地更大,已不经济。因此在减少占地面积的前提下,如何增大过水断面面积是回灌池改进或优化设计的重点。

(2)提高反滤回灌井的抗淤能力。由于现有反滤回灌井顶高程与河床表面基本持平,对于河床纵向比降平缓的河段,或筑坝建闸挡水蓄水的河段,在现有反滤回灌井表层很容易产生淤积,淤泥充填回灌池上层砂层孔隙,使回灌池失去渗水功能,大幅度地降低反滤回灌井回灌量,淤积严重的,使反滤回灌井失去回灌的功能。据统计,山东胶东半岛,河床平缓或蓄水河段的反滤回灌井,经历1~2个汛期,淤积作用基本可使反滤回灌井丧失回灌能力。

(3)提高反滤回灌井的抗冲能力。由于现有反滤回灌井的回灌池为土坑,对于河床纵向比降较陡的河段,回灌池容易冲毁,带走反滤砂,使其丧失反滤能力,其后果导致泥沙颗粒进入回灌井,细小颗粒进入含水层,使回灌井淤积填埋,并使含水层淤堵,并降低储水能力。因此,还有必要对回灌池加以保护。

对现有反滤回灌井改进设计思路:如果将回灌池从地下抬高至地面以上,从原来的土坑变为有硬质材料护壁的回灌井口,并由原来回灌池表面一面入渗进水的方式,改为从回灌井口顶面、外侧面入渗进水的方式,即可防冲抗淤,又可增大过水断面面积;如果在井口中间掏空,让水流从井口中间穿过,则又可增加内侧面、内侧底面入渗进水,使入渗过水断面面积最大化。另外,再以相当或较大渗透系数的土工织物代替砂反滤层,即不会减少渗入水量,又不失反滤功能,而且维修、更换方便。

设计了3种新型对偶反滤回灌井,对偶反滤回灌井由回灌井和对偶回灌井口组成。3种新型对偶反滤回灌井的对偶回灌井口分别为:第1种为圆形对偶井口,其回灌井口为顶面、外侧面、内侧面、底面均能进水的2个对称的半个空心圆柱体,见图1(a)~(d);第2种为方形对偶井口,其回灌井口为顶面、外侧面、内侧面、底面均能进水的2个对称的空心长方体,见图1(a)、(e)~(g);第3种为台形对偶井口,其回灌井口为顶面、外侧面、内侧面、底面均能进水的2个对称的空心长方台体,见图1(h)~(j)。

注:1-回灌池;2-侧壁;3-土工织物;4-河底地面;5-外侧壁孔口;6-内侧壁孔口;7-回灌井;8-反滤料。

与普通反滤回灌井相比,对偶反滤回灌井具有以下特点。

(1)回灌池置于地面之上,称之为对偶回灌井口,其顶面、外侧面、内侧面以及内底面均可进水,增加了进水断面面积,提高了抗淤能力。

(2)对偶回灌井口采用硬质塑料、钢、薄壁钢筋混凝土材料等,增强了抗冲能力。

(3)对偶回灌井口外表覆盖一层土工织布,既能有效过滤回灌水中的杂质,也能节省砂砾石反滤料,且维修简便、容易更换。

(4)对偶回灌井口底部一定高度范围内做成不透水的,可防止雨洪初期劣质河水回灌至含水层。

(5)如果河水临时受到污染,可在对偶回灌井口土工织物反滤层外侧,再加套一层土工膜,使对偶回灌井口外表增加了一层不透水层,以防止污染的河水回灌至含水层。

对偶反滤回灌井的适用条件如下。

(1)我国北方中小型流域季节性河流,汛期河水大量遗弃,非汛期流域缺水,河水没有污染或轻微污染。

(2)含水层上部为不透水层或弱透水层,即地层表层为壤土或黏土,或含水层为砂层、黏土互层结构,通过回灌井经历各层含水层的水力联系。

(3)对偶反滤回灌井位于河流河床、滩地,或专用引水回灌渠内。

2 对偶反滤回灌井稳定流试验

2.1 试验设计

(1)试验装置。室内回灌试验装置由有机玻璃材料制作,为长1.8m、宽0.8m、高1.3m的长方体,试验装置能模拟半个完整反滤回灌井或非完整反滤回灌井的稳定流回灌试验。试验装置详见图2。

室内回灌试验装置由供水系统、排水系统、回灌系统和测量系统4部分组成。供水系统包括水源、稳压水箱、水表、进水管和进水口。排水系统包括出水口、调节水箱排水孔和底排水孔。回灌系统主要由回灌水槽、回灌井、各种井口、长方体容器和地下水位调节池组成,其中水槽用于模拟天然河道,长方体容器用于模拟含水层,地下水位调节池用于控制回灌井周围地下水位,见图3(a)。回灌井半径10mm,由有机玻璃管制作,取一半,黏于长方体容器一侧壁的正中间。考虑与回灌井模型一致性,各种回灌井口模型比例为1:25,均取一半,过水断面面积的开孔率约为20%,其中圆形对偶井口高110 mm,外径为40mm,内径为20mm;方形对偶井口高110mm,边长为40mm;台形对偶井口高110mm,上口长边边长为35mm,下口长边边长为40mm,过水断面面积的开孔率为20%,详见图3(b)~(d)。为了进行对比分析,又制作了原回灌池模型,取一半,其底部尺寸为40mm×20 mm长方形,顶部尺寸为40 mm×80mm长方形,详见图3(e)。测量系统分为水位测量系统和流量测量系统,包括水槽水位标尺、测压管、进水和出水流量测量等。测压管布置于长方体容器底部,共计20只,按水平线、垂直线和对角线4条线布置,主要用于测量含水层地下水位。测压管布置见图4。

(2)试验方案。试验模拟承压含水层完整井稳定流,拟做5种井的稳定流回灌试验:方案一为普通回灌井稳定流回灌试验,仅有回灌井、无井口;方案二为现有反滤回灌井的稳定流回灌试验,模拟原四方台体回灌池,池内设置砂、碎石2级反滤料;方案三为圆形对偶反滤回灌井的稳定流回灌试验;方案四为台形对偶反滤回灌井的稳定流回灌试验;方案五为方形对偶反滤回灌井的稳定流回灌试验。

其中方案一为普通回灌井,代表目前国外和国内(除山东半岛)常用的地下水回灌设备;方案二为现有反滤回灌井,代表目前山东半岛常用的地下水回灌设备;方案三~五为研制的新型对偶反滤回灌井。

(3)试样制备。试验装置表层为黏土,下层为砂,砂控制干密度1.44~1.50g/cm3,渗透系数为3.07~3.55×10-4m/s。砂样采用天然河砂,平均粒径0.836,不均匀系数3.2,曲率系数1.18,为不良级配粗砂,砂样颗粒大小分布曲线见图5。

回灌井口反滤采用土工织物,其单位面积重量为200g/m2,厚度为3mm,土工织物+有机玻璃井口(约20%的开孔率)的综合渗透系数为6.2×10-4m/s。

(4)室内回灌试验结束标准和资料整理。试验结束标准:当连续测量3次回灌量,其中每2次连续测量回灌量之差均不大于后一次(指连续2次测量中的第2次)回灌量的5%时,回灌试验即可结束。试验资料整理:取最后3次回灌量测量值的平均值作为回灌试验的结果。

2.2 室内稳定流回灌试验

试验模拟承压含水层完整井稳定流,水槽内稳定回灌水位92cm(长方体容器底部为0基准水位)左右,周围地下水位20cm。为保持周围地下水位稳定,在安装井对面的侧壁下部,设置一砾石排水带,排水带出口与两侧调节水箱相连,使该侧地下水位与两侧调节水箱的水位保持一致。试验时,水由稳压水箱流出,由水槽一侧进入水槽,水流流经反滤回灌井时,一部分水通过回灌井口或回灌池渗入回灌井口内,然后以垂直流方式进入回灌井,再以水平流方式进入砂层,砂层中水再流入两侧调节水箱;水槽内其余的水经水槽另一侧排水管排出。打开调节水箱排水阀,使两侧调节水箱内水位稳定在20cm高程左右,通过测定调节水箱排出水量,即可得承压含水层完整反滤回灌井稳定流时的单井回灌量。当水槽内回灌水位和调节水箱水位保持稳定时,单位时间内从调节水箱排水阀排出的水量即等于反滤回灌井的单井回灌量。

先后进行了普通回灌井、现有反滤回灌井、圆形对偶反滤回灌井、方形对偶反滤回灌井和台形对偶反滤回灌井的稳定流回灌试验,并进行了平行试验。

2.3 试验成果与分析

在水槽回灌水位为92cm、周围地下水位为20cm的条件下,各种承压含水层完整井稳定流试验中实测的地下水位线(沿水平线布置测压管得到)见图6,实测单井回灌量见表1。

从图6中可以看出:

(1)普通回灌井地下水位线最高,对偶反滤回灌井的地下水位线次之,现有反滤回灌井的地下水位线最低。

(2)水槽回灌水位为0.92m时,普通回灌井井口处的地下水位为0.51m,而现有反滤回灌井回灌池附近的地下水位为0.25m,说明现有反滤回灌井回灌池的综合水头损失最大,回灌井的回灌能力未充分发挥,大大影响了现有反滤回灌井的回灌能力。

(3)对偶反滤回灌井回灌井口处的地下水位高0.47~0.50m,同现有反滤回灌井回灌池相比,其综合水头损失相对较小,较大程度地发挥了回灌井的回灌能力,但还是一定程度地影响了现有反滤回灌井的回灌能力。

从表1中可以得出:

(1)现有反滤回灌井的单井回灌量为普通回灌井的15.4%,说明回灌池产生较大的水头损失,大幅度地降低了回灌量。

(2)圆形对偶反滤回灌井的单井回灌量为普通回灌井的79.1%,台形对偶反滤回灌井的单井回灌量为普通回灌井的76.2%,方形对偶反滤回灌井的单井回灌量为普通回灌井的76.7%,说明对偶回灌井口也产生一定的水头损失,并影响回灌量。

(3)同现有反滤回灌井相比,对偶反滤回灌井的单井回灌量大约增加了395%~414%,说明对偶回灌井口大大提高了反滤回灌井的回灌能力。

3 讨论

3.1 回灌试验次数对单井回灌量影响分析

图7为方形对偶反滤回灌井的单井回灌量Q与回灌次数N关系曲线。由图7可知:初次试验单井回灌量最大,随回灌试验次数的增加,其单井回灌量逐渐减小,并趋向稳定,其稳定单井回灌量约为初次试验单井回灌量的79%。这是由于在室内稳定流回灌试验中,当水流经过回灌井口土工布渗入回灌井,进入含水砂层,以及在含水砂层渗流的回灌过程中,水流中还夹杂着一定量的空气,另外含水层中还存在一些封闭气泡和细小的泥沙颗粒,这些都会产生一定的堵塞作用,影响单井回灌量。

3.2 井口类型对单井回灌量影响分析

由表1知:方形对偶井口的过水断面面积最爱,台形次之,圆形最小。一般而言,渗水量与进水断面面积成正比,由此可以推论:方形对偶回灌井口的单井回灌量最大,台形对偶回灌井口次子,圆形对偶回灌井口最小。然而实验结果却表明:圆形对偶回灌井口的单井回灌量反而大于方形对偶回灌井口的,而方形对偶回灌井口的单井回灌量却大于台形对偶回灌井口的。这说明回灌井口类型影响单井回灌量。

产生这种现象的原因是:对于圆形对偶回灌井口,反滤回灌井中回灌井的过水断面是圆形,当水流从井口进入回灌井内部时,由于井口和回灌井的断面现状一致,其水流流态比较流畅,水头损失较小;而方形和台形对偶回灌井口,则由于井口和回灌井断面现状的差异,影响水流流态,水头损失较大,因此,圆形比方形、台形对偶回灌井口具有较大的单井回灌量。而方形和台形对偶回灌井口,二者断面形状相近,水流流态相近,方形对偶回灌井口因过水断面较大而具有较大的单井回灌量。另外,文献[8]中的回灌池为单纯的大型回灌池,回灌池下不存在普通回灌井,其研究结论自然与本次试验结果不同。

4 结语

通过试验与分析,得出以下结论。

(1)对偶反滤回灌井的下部不透水壁,可防止雨洪初期劣质水回灌含水层。如果将土工膜套在对偶回灌井口土工织物反滤层外侧,可预防污染河水回灌至含水层,增强了对偶反滤回灌井的抗污性。

(2)在试验条件下,普通回灌井、现有反滤回灌井、圆形对偶反滤回灌井、台形对偶反滤回灌井和方形对偶反滤回灌井的单井回灌量分别为19.82、3.05、15.68、15.11和15.20L/min,同现有反滤回灌井相比,对偶反滤回灌井单井回灌量增加了395%~414%,且具有较强防淤抗冲能力,同时还节约了砂砾石材料。

(3)反滤回灌井初次回灌试验的单井回灌量最大,随回灌试验次数的增加,其单井回灌量逐渐减小,并趋向稳定。

(4)对偶回灌井口类型影响单井回灌量,圆形对偶回灌井口的进水水流流态最好,单井回灌量最大。

对偶反滤回灌井特别适用于降雨集中、汛期大量雨洪遗弃、分布有众多季节性河流的我国北方地区,它能够在汛期将更多的遗弃雨洪转化为可利用水资源,这对于提高我国北方流域水资源利用率、缓解水资源短缺的矛盾具有重要的现实意义,对于海绵城市建设具有重要的借鉴作用。同现有反滤回灌井相比,对偶反滤回灌井具有较大的回灌能力、较强的防淤抗冲能力和一定的抗污能力,对偶反滤回灌井及其回灌系统将会具有广阔发展前景。

摘要：反滤回灌井是山东半岛地下水回灌中常用的回灌设施,它由普通回灌井和回灌池组成。在分析现有反滤回灌井存在问题的基础上,设计了3种新型对偶反滤回灌井,研制了室内稳定流回灌试验装置,进行了普通回灌井、现有反滤回灌井和3种对偶反滤回灌井的室内稳定流回灌试验,分析了回灌井口类型对单井回灌量的影响。得出以下结论:对偶回灌井口的不透水下壁,可防止雨洪初期劣质水回灌含水层;如果在对偶回灌井口外套一层土工膜,则可预防污染河水回灌含水层。在试验条件下,同现有反滤回灌井相比,对偶反滤回灌井的单井回灌量增加了395%~414%,并具有较强的抗冲能力。反滤回灌井初次回灌试验的单井回灌量最大,随回灌试验次数的增加,其单井回灌量逐渐减小,并趋向稳定。回灌井口类型影响单井回灌量,与方形和台形对偶回灌井口相比,圆形对偶回灌井口进水水流流态较好,单井回灌量较大。

关键词：反滤回灌井,回灌,对偶回灌井口,单井回灌量,室内稳定流试验

参考文献

[1]李旺林,束龙仓,殷宗泽.地下水库的概念和设计理论[J].水利学报,2006,37(5),613-618.

[2]林学钰,张文静,何海洋,等.人工回灌对地下水水质影响的室内模拟实验[J].吉林大学学报,2012,42(5):1 404-1 408.

[3]黄修东,束龙仓,刘佩贵,等.注水井回灌过程中堵塞问题的试验研究[J].水利学报,2009,40(4),430-434.

[4]郑西来,单蓓蓓,崔恒,等.含水层人工回灌物理堵塞的实验与数值模拟[J].地球科学,2013,38(6):1 321-1 326.

[5]Ma L,Spalding R F.Effects of artificial recharge on ground water quality and aquifer storage recovery[J].Journal of the American Water Resources Association,1997,33(3):561-572.

[6]Phien-wej N,Giao P H,Nutalaya P.Field experiment of artificial recharge through a well with reference to land subsidence control[J].Engineering Geology,1998,(50):187-201.

[7]Bichara A F.Clogging of recharge wells by suspended solids[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1986,112(3):211-234.

[8]Rastogi A K,Pandey S N.Modeling of artificial recharge basins of different shapes and effect on underlying aquifer system[J].Journal of Hydrologic Engineering,1998,3(1):62-68.

[9]李旺林,束龙仓,李砚阁,等.承压-潜水含水层完整反滤回灌井的稳定流计算[J].工程勘察,2006,(5):27-29.

[10]李旺林.反滤回灌井的结构设计理论和方法[J].地下水,2009,31(1):126-12.

[11]李旺林.多面进水的反滤回灌井[J].中国农村水利水电,2012,(12):112-114.

室内稳定流试验 篇2

广西地区已建高速公路部分路段在通车以后,出现了路基不均匀变形而造成的纵向开裂等路基病害,此病害在一定程度上影响着高速公路的安全稳定运行。经现场破坏段调查研究发现,某些路段由于使用风化泥岩开挖料作为路基填料而出现了路面开裂等路基病害。由于在实际工程中,考虑到交通运输不便以及路基填料需求量大等因素,此时公路路基填料的选择需要结合实际情况就近取材,若能利用此风化泥岩开挖料进行公路路基的填筑,则可节省大量工程投资,因而风化泥岩作为高速公路路基填料的可行性[1,2]研究显得至关重要。

风化泥岩作为一种岩土材料,其路用性能变化较大,存在许多不利的工程特性[3],且水稳定性较差[4,5,6],当气候环境变化(如降雨、曝晒)时,易崩解、破碎、级配细化、甚至泥化现象[7,8,9]。结合前人对风化泥岩等软岩作为路基填料的研究成果[10,11,12,13],通过室内试验研究了风化泥岩开挖料在干湿循环条件下所表现出的水稳定性,进一步了解风化泥岩的路用性。

1 试验材料

试验所用风化泥岩取自广西南宁柳南路一标段。试验按《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[14]相关规定进行。

2 基本物理性质试验

风化泥岩基本物理性质试验结果见表1及图1。

由表1可以看出,风化泥岩的自由膨胀率为40%,根据膨胀土的膨胀潜势分类[15],由于其自由膨胀率满足40%≤δef<60%,可以判定试验所用风化泥岩为弱膨胀土。

由图1可以看出,击实前,Cu为13.1,Cc为2.1;在经过重型击实以后,Cu为20.0,Cc为1.7。经过重型击实后,级配曲线右移,说明经过击实作用后,其大颗粒含量明显减少,细颗粒含量相对增加。

3 水稳定性试验

3.1 试验目的

在雨季,随着降雨入渗和地下水位的升高,风化泥岩路基土体的含水率升高,风化泥岩崩解甚至泥化;在旱季,随着路基土体水分的蒸发和地下水位的降低,风化泥岩路基土体的含水率降低,路基土体产生收缩变形,严重时会导致土体开裂。风化泥岩在雨季和旱季这种干湿交替循环的气候条件中其强度的变化比较大,通过有压及无压条件下干湿循环试验研究其在这种干湿交替环境中的水稳定性。

3.2 干湿循环过程

一次干湿循环试验包括浸水饱和和风干失水两个过程。试样制备完成后让试样底部浸水,让试样在毛细作用下饱和,然后逐步升高水位直至试样全部浸入水面以下为止,让试样在水下浸泡48小时,完成浸水饱和过程;浸水饱和后将试样从水中取出,放于阴凉处,风干至其含水率为制样含水率(13.5%),完成风干失水过程。

3.3 试验内容

试验内容包括两部分:1)研究风化泥岩在干湿循环条件下的变形规律;2)研究不同循环次数后风化泥岩试样的强度指标,以此来反映干湿循环条件下风化泥岩的强度变化规律。为了研究无压条件下风化泥岩的变形及强度变化特性,共进行了风化泥岩在无压条件下的0次、2次、4次、6次、8次干湿循环;为了研究上覆压力对风化泥岩泥化及强度变化的影响,进行了上覆压力分别为10 kPa、20 kPa 、40 kPa时的4次和6次干湿循环。

有压及无压条件下的试验装置分别如图2所示,CBR试验流程见图3。

3.4 干湿循环过程中试样的变形

试样在整个干湿循环过程中不断经历着膨胀与收缩的交替变形过程,为反映土样在整个循环过程中胀缩幅度变化,试样的绝对膨胀率和相对膨胀率分别按(1)和(2)式计算:

$\begin{array}{l}\delta {}_{\text{a}}=\frac{h{}_i-h{}_0}{h{}_0}(1)\\ \delta {}_{\text{r}}=\frac{h{}_i-h{}_{i-1}}{h{}_{i-1}}(2)\end{array}$

式中:δa和δr分别为绝对膨胀率和相对膨胀率;hi为试样第i次膨胀稳定后的高度;hi-1为试样第i-1次风干后的高度;h0为试样的初始高度。

干湿循环过程中,试样的绝对膨胀率、相对膨胀率以及试样高度随干湿循环次数的变化见图4、图5。

由图4及图5可知,在相同荷载作用下,试样的绝对膨胀率随循环次数的增大而增大,相对膨胀率随循环次数的增大而减小,第1、2次循环过程中绝对膨胀率、相对膨胀率变化幅度较大,之后变化幅度较小,表明土样在第1、2次干湿循环过程中,胀缩变形显著,试样的胀缩变形随着干湿循环的发展而趋于稳定。此外,在相同的干湿循环次数下,试样的绝对膨胀率、相对膨胀率均随着荷载的增大而逐渐减小,表明上覆荷载的存在对风化泥岩的胀缩变形有一定的抑制作用。由此可反映出,试样的胀缩变形并不是完全可逆的,存在着一种与塑性变形相似的不能恢复的膨胀量。

3.5 CBR试验

试验共进行了风化泥岩在无压条件下的0、2、4、6、8次干湿循环以及有压条件(10 kPa、20 kPa、40 kPa)下的4次、6次干湿循环,干湿循环到达预定次数后进行CBR试验,CBR结果见图6、图7。

由上述试验结果可以得到以下结论:

(1)干湿循环次数是影响风化泥岩CBR值的重要因素之一,通过各次循环后的CBR结果可以看出,随着干湿循环次数的增加,试样的CBR值逐渐降低;

(2)上覆荷载是影响风化泥岩CBR值的又一重要因素,通过有压及无压两种条件下试样的CBR值对比可以看出,试样在有压状态下的CBR值显著提高,并且随着上覆荷载的增大而增加;

(3)试验选取试样表面、试样表面以下5 cm和10 cm深度处作为CBR试验的试验点,以此来探讨风化泥岩的CBR值与土体深度的关系。由以上结果可以看出,试样的CBR值随试验点深度的增大而逐渐增大,说明土体深度是影响风化泥岩CBR值的又一重要因素之一;

(4)有压及无压条件下,试样经过各次干湿循环后,其CBR值均有较明显的降幅,且在经历4次干湿循环后,试样的CBR不能满足路基填料的最小强度要求[15]。

3.6 干湿循环后颗分试验

风化泥岩浸水饱和后土体完全泥化(见图8),粒径较大颗粒遇水后细化,为了分析试样浸水饱和后的粒度组成情况,在CBR试验后利用密度计对已经完全泥化的土体进行颗粒分析试验。

试验所用土样为CBR试验后的风化泥岩土体,CBR试验点为试样表面、试样表面以下5 cm和10 cm深度处,颗分试验便以此深度为分界面,将土层分为三层,试样表面至深度5 cm为第一层, 5 cm至10 cm为第二层,10 cm至试样底部为第三层,分别对这三层土体进行颗分试验。现选用无压条件下试样CBR试验后的土体进行试验,结果见表2。

由表2可以看出,风化泥岩浸水饱和后,颗粒粒径显著变小,随着土层深度的增加,土体细颗粒含量逐渐减小,且越接近土层表面,细颗粒含量越高。随着循环次数的增加,粒径大于0.075 mm的土粒含量逐渐减少,4次循环后接近于0,粒径小于0.075 mm的土粒含量无明显变化。

3.7 不排水抗剪强度试验

在CBR试验的同时,利用XC—1型袖珍触探仪对试样进行不排水抗剪强度试验,试验点选取为试样表面及表面以下2 cm、4 cm、5 cm、7 cm、9 cm、10 cm、12 cm不同深度处。通过微型静力触探试验结果换算试样的不排水抗剪强度,试验结果见图9。

由图9可以看出,无压条件下,随着干湿循环次数的增加,试样的不排水抗剪强度逐渐降低,在相同的上覆压力作用下,试样的不排水强度随着干湿循环次数的增加逐渐减小,但有压与无压条件下随着试验点深度的增加,试样的不排水强度均逐渐增大;在相同深度处,试样的不排水强度随上覆压力的增加而逐渐增大。

4 结论

通过室内试验对风化泥岩的基本物理性质和水稳定性进行了分析和研究,较全面地认识了风化泥岩的性质,从而对其作为路基填料的可行性提供了理论依据。试验所得主要结论如下:

(1)在有压及无压条件下,风化泥岩浸水饱和后均呈泥化状态,失水风干后出现收缩开裂现象;

(2)试样的绝对膨胀率和相对膨胀率随着干湿循环次数的增加而分别呈逐渐增大和逐渐减小的趋势,且随着干湿循环的发展而逐渐趋于稳定。绝对膨胀率和相对膨胀率均随着荷载的增大而逐渐减小,表明上覆荷载对风化泥岩的胀缩变形有一定的抑制作用;

(3)风化泥岩的CBR值随着干湿循环次数的增加而逐渐降低,4次循环后,其CBR值趋于稳定,此时其CBR值不能满足路基填料的最小强度要求。在干湿循环次数相同的情况下,风化泥岩的CBR值随上覆荷载的增大以及土体深度的增加而逐渐增大;

(4)风化泥岩的不排水抗剪强度随着干湿循环次数的增加呈现出逐渐降低的趋势。在相同的干湿循环次数下,风化泥岩的不排水强度随上覆压力的增加以及试验点深度的增加而逐渐增大;

(5)试验所用风化泥岩在干湿循环过程中遇水易崩解泥化,水稳定性较差,是一种不良的路基填料,不能直接用于路基填筑,需采取一定的处治措施改善其工程性质从而使其成为可用填料。

摘要：针对广西已建高速公路部分路段由于使用风化泥岩开挖料作为路基填料而出现的路面开裂等路基病害,对风化泥岩的基本物理性质和水稳定性进行了室内试验研究。在有压及无压条件下探讨其在干湿循环过程中的变形及强度变化规律。试验结果表明:风化泥岩水稳定性较差,在有压条件下,上覆荷载对试样的变形具有一定的抑制作用,试样的CBR值及不排水抗剪强度较无压状态下有显著的提高,但经过一定的干湿循环次数后,其CBR值不能满足规范要求。综合试验结果可得风化泥岩是一种不良的路基填料,不能直接用于路基填筑,试验成果可为实际工程中风化泥岩等软岩作为路基填料的相关研究提供参考。

室内稳定流试验 篇3

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验品种郝育515A, 水分13.5%~14.0%, 郝育515B, 水分15.5%~16.0%;先正达公司提供70%锐胜;3.5%满适金、亮穗 (立克秀) 马克西姆;北农克·戊·福美双63%干粉种衣剂。

1.2 试验仪器

辽宁省沈阳市自动化仪表研究所ZMX-Ⅱ型种子幼苗培养室;浙江省宁波江南仪器厂生产GXZ型多段编程光照培养箱, PM8188谷物水分测量仪;45 cm×35 cm×3.5 cm不锈钢方盘若干;适宜不同品种的玉米种子数粒板;砂粒规格为0.05~0.8 mm, 经130~170℃高温烘干约2 h, 加水拌匀使其含水量为60%~80%备用。

1.3 试验方法

试验程序及时操作见GB3543.4-1995;试验发芽床均为沙床。

A温度:20~30℃ (GB3543.4-1995检验规程规定的温度条件) ;B温度:10℃, 发芽时间为7 d, 各样品4次重复, 每个重复200粒, 后转为20~30℃, 3 d。

处理1:满适金100 g+锐胜100 g+亮穗120 g;处理2:满适金100 g+锐胜200 g+亮穗120 g;处理3:北农克·戊·福美双63%干粉种衣剂 (以上处理都按1∶100包衣) ;处理4:空白对照。

2 结果与分析

2.1 正常条件下试验样品的芽率

A温度主要是检测正常条件下试验样品的芽率。不正常幼苗种类:515A样品叶片撕裂, 胚轴过度弯曲;主根没有或断裂, 其侧根少或纤弱;死种子 (比例小) ;双胚等。515B样品第一片叶没有达到叶鞘一半;主根没有或断裂, 侧根没有达到数目;不健壮;死种子 (比例大) 。

2.2 不正常条件下试验样品的芽率

不正常条件下, A样品玉米种子各处理平均芽率:90%、81%、84%、69%;各处理不正常类型:叶鞘开裂、叶片撕裂严重, 无主根或有主根但次生根没有达到一定数量, 死种子比例小。B样品玉米种子平均芽率:71%、72%、72%、63%;各处理不正常幼苗种类:叶片撕裂, 主根断裂没有次生根, 种子腐烂, 死种子比例高。处理1和处理2在鉴定幼苗时很多根系都已长出沙床面, 而处理3这种情况少, 其根条数、粗细度、叶色比对照及处理3有明显区分, 说明处理1和2成分对玉米种子根系都有积极的影响。样品在A温度下是85%, 在B温度 (对照) 下是69%, 说明此样品活力不高;在处理1中为90%, 比处理2高出9%, 两个处理配方中只是“锐胜”相差100 m L, 说明在本次试验中处理1“锐胜”含量适宜。样品A处理3中结果与A温度下的芽率数值接近, 说明“北农克·戊·福美双63%”干粉种衣剂在低温条件下 (与对照相比) 有保护种子作用, 证明种子包衣的重要性。

3 结论与讨论

膨胀土石灰改良室内试验研究 篇4

膨胀土中含有强亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石, 是具有膨胀性、多裂隙性和超固结性的高塑性黏性土。膨胀土在我国云南、广西、四川、安徽、湖南、湖北、河南、山东、吉林、甘肃等多个省市均有分布。膨胀土的胀缩性、超固结性和多裂隙性给铁路建设带来了相当大的危害。从以往常规铁路的工程实践看, 膨胀土地区既有线的路基完好率仅为25%, 路基基床病害相当普遍, 常见的病害有:基床翻浆冒泥、路肩鼓胀、路堑侧沟壁挤出等, 边坡浅层滑坍和深层滑动的比率也较大, 而且具有渐进性和长期性的特点。本文以合宁铁路膨胀土试验为例, 阐述膨胀土改良前后的工程性质变化及其改良效果。

2 试验填料的物理性质

选取大榆树取土场 (1号土样) 和王财取土场 (2号土样) 土样作为代表性土样进行试验研究, 两取土场的膨胀性分别为弱膨胀土和中等膨胀土, 其物理性质指标和膨胀性指标见表1, 表2。

注:K为重型击实试样的压实系数

粒径组成是膨胀土性质的一项重要参数, 特别是粘粒含量, 粘粒含量越多往往意味着土体具有更大的膨胀潜势和更高的塑性。从表1中可以看出弱膨胀及中膨胀土的颗粒组成以粉粘粒为主, 含量均超过90%, 粉粒含量要多于粘粒含量。

从两个取土场的膨胀性指标来看, 取土场土源均不宜用作填料, 否则土的膨胀性将对路堤造成破坏。室内试验还对每种土源在Kh=0.90, 0.95进行了3组湿化试验, 从试验情况看:浸水1 h后, 土样呈粒状崩解约90%, 浸水2 h后, 即完全崩解。这说明未经改良的膨胀土水稳性极差, 不宜用作填料。

3 石灰改良膨胀土室内试验

3.1 改良方案

目前处理膨胀土的方法主要是化学改性, 如掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化纳、氯化钙、沥青、合成固化剂、合成树脂和磷酸等等, 使之与土壤发生一定的物理化学反应, 以改变原土的物理力学性质来稳定膨胀土。路堤填料改良是将粉碎的土和其他添加剂、水进行充分拌合后, 再用机械压实养护而形成稳定的土体。本次试验采用石灰 (包括生石灰、熟石灰) 对膨胀土进行改良, 石灰的掺入比 (石灰占干土质量的百分比) 分别为4%, 5%, 6%, 7%, 8%。试验项目包括改良前后土的颗粒分析、物理性质、膨胀性、强度试验、水理性质等。

3.2 颗粒级配变化

从膨胀土改良前后土的电镜试验结果可以明显看出改良土样品的结构致密, 孔隙明显减少, 蒙脱石球状集合体的颗粒变粗, 比较直观地说明了石灰改良膨胀土时对其粒径改变的作用效果。

土样经生、熟石灰改良后颗粒分析结果见图1。试验土样经石灰改良后其颗粒级配将发生较大的改变, 总的趋势是细颗粒含量特别是粘粒含量大幅降低, 粗颗粒含量增加;熟石灰与生石灰相比, 对改良土样的级配效果上没有明显区别。1号土样:粘粒含量大幅减少, 从改良前的35.4%～36.8%降低到了改良后的10.0%～23.8%;粉粒含量有所增加, 从改良前的59.3%～60.2%增大到改良后的60.1%～77.4%;砂粒含量明显增加, 从改良前的3.9%～4.4%增大到改良后的5.2%～24.8%。2号土样:粘粒含量大幅减少, 从改良前的34.4%～35.9%左右降低到了改良后的13.2%～24.2%;粉粒含量有所增加, 从改良前的60.4%～61.9%增加到55.9%～76.5%;砂粒含量也明显增加, 从改良前的2.2%～5.4%增加到4.5%～30.3%。

3.3 塑性变化

表3为试样经不同掺灰量石灰改良前后塑性的变化。从表3中可以看出:膨胀土改良后液限变化不大, 但塑限明显增加, 掺灰率超过5%以后, 1号土样从17.0%增加到23.6%～33.7%, 2号土样从16.7%增加到24.6%～36.2%;塑性指数大幅减小, 1号土样从24.5减小到5.7～13.3, 中等膨胀土从25.8左右减小到4.7～11.5。熟石灰与生石灰相比, 对土样的塑性变化影响没有明显区别。

注:表中每项数值为3组试验值的平均值

3.4 胀缩性变化

对1号土样掺6%石灰、2号土样掺7%石灰进行改良前后的膨胀性试验, 结果见表4。从膨胀性判别指标来看, 石灰改良后土的自由膨胀率降幅较大, 蒙脱石含量有一定程度的降低;只有阳离子交换量变化不大, 这是受石灰成分的影响。无荷膨胀率和25 kPa, 50 kPa有荷膨胀率指标, 经石灰改良后基本降低到0;膨胀力指标, 从改良前的89 kPa～163 kPa降低到改良后的0 kPa～7 kPa。这些数据说明膨胀土经石灰改良后膨胀性可以大幅降低, 可见石灰改良其膨胀性的效果是明显的。从表4中还可以看出, 膨胀土经石灰改良后的收缩系数也有较大程度的降低, 说明石灰改良能改善膨胀土的失水收缩特性。综上所述, 膨胀土经石灰改良以后, 能够大大改善其吸水膨胀、失水收缩的不良工程特性。

注:试样养护龄期7d, 表中每项数值为3组试验值的平均值

3.5 无侧限强度变化

对土样石灰改良前后的7 d龄期饱和无侧限抗压强度 (养护6 d, 浸水1 d) 和无侧限抗压强度对每种配比进行了6组试验, 取平均值, 其结果见图2, 图3。可以看出, 试样经石灰改良后其7 d龄期饱和无侧限强度大幅增加, 为改良以前的2倍～7倍, 无侧限强度增幅较小, 为改良以前的1倍～2倍。

对于最佳掺灰率 (1号土样6%, 2号土样7%) , 当K=0.90时 (对应基床以下路堤) , 饱和无侧限强度平均值为375 kPa～488 kPa;当K=0.95时 (对应基床底层路堤) , 饱和无侧限强度平均为534 kPa～768 kPa, 均满足TB 10621-2009高速铁路设计规范 (试行) 的要求。

试样改良前的无侧限强度为306 kPa～770 kPa, 饱和无侧限强度仅为6 kPa～13 kPa, 试样饱和后其无侧限抗压强度降幅超过95%;改良后饱和无侧限抗压强度比无侧限强度降低12%～61%, 饱和无侧限强度的增幅明显高于无侧限强度的增幅, 说明石灰改良膨胀土对改善其在浸水条件下的力学性能具有明显作用。

3.6 剪切强度变化

对试样改良前后进行了直剪 (快剪) 、排水反复直剪试验和三轴固结不排水剪切试验, 每种情况各做3组～6组试验, 取其平均值, 结果见表5。从表5中可以看出, 石灰改良后直剪C值无明显规律的变化, φ值增幅较大, 从25.1°～31.0°增加到35.0°～49.1°。改良后残余强度指标Cr值有一定的增加, 增幅为11%～353%, φr值变化不大;三轴试验表明, 改良后粘聚力、有效粘聚力指标均大幅增加, 增幅分别为3.7倍～13.7倍、1.5倍～8.4倍;内摩擦角、有效内摩擦角指标有一定程度的增加, 增幅分别为18%～57%, 10%～55%。

注:1号土样掺灰率6%, 2号土样掺灰率7%, 养护龄期7d, 直剪、排水剪每项试验样本个数6个, 三轴剪样本个数3个

3.7 水稳性变化

室内试验还对每种土源在K=0.90, 0.95改良前后各种配比进行了3组湿化试验, 从试验情况看:浸水1 h后, 素土夯实土样呈粒状崩解约90%, 浸水2 h后, 即完全崩解。这说明未经改良的膨胀土水稳性极差, 不宜用作填料;改良以后, 浸水48 h无崩解, 这说明膨胀土经石灰改良后水稳性大大提高, 这是改良膨胀土作为路堤填料比膨胀土直接作为填料的最大优势之一。

为了了解改良土在长时间浸水条件下的强度变化特点, 试验进行了改良土养护7 d后浸水7 d, 14 d的无侧限强度试验, 试验结果见表6。从表6中可以看出, 各种情况下的14 d无侧限强度均要大于7 d无侧限强度, 而且其强度均大于1 MPa, 浸水时间对强度衰减的影响被改良土的强度增长所抵消。生、熟石灰改良对试样强度的影响在其他试验中表现得并不明显, 但在浸水条件下生石灰改良土表现出了比较明显的优势, 其强度要超过熟石灰改良土强度的22%～36%。这说明了改良土路堤初期保湿养生的重要性, 特别是对生石灰改良土来说, 保持适当的含水量对其充分与土发生反应, 提高强度是有益的。总的来说, 膨胀土经石灰改良后, 水稳性大大改善, 在浸水14 d条件下仍能保持较高的强度, 湿化试验也未见明显崩解。

kPa

3.8 动力特性

同济大学在合宁铁路进行了改良膨胀土路堤的激振试验, 验证了改良土的动力特性, 详见文献[2]。从试验结果来看, 当动应力水平在90 kPa～100 kPa时, 经过150万次激振, 基床表层的弹性变形为0.29 mm～0.32 mm, 塑性变形为0.9 mm～1.1 mm, 满足高速铁路对路基填料的要求。

4 结语

通过对合宁线代表性膨胀土试样进行石灰改良前后的室内试验对比, 得出了膨胀土经石灰改良前后的物理力学性质的变化:1) 颗粒级配:粘粒含量大幅减少, 粉粒含量有所增加, 砂粒含量明显增加, 从电镜照片上看, 试样改良后土体结构更为致密, 孔隙明显减小。2) 塑性:膨胀土改良后塑性指数明显降低, 由改良前的24.5～25.8降低到4.7～13.3。 3) 胀缩性:膨胀土改良后自由膨胀率、膨胀力、无荷膨胀率、有荷膨胀率、收缩系数大幅度降低, 说明膨胀土经石灰改良以后, 能够大大改善其吸水膨胀、失水收缩的不良工程特性。4) 强度:膨胀土改良后饱和无侧限强度、无侧限强度、抗剪强度均得到较大提高, 石灰改良膨胀土对改善膨胀土在浸水条件下的力学性能具有明显作用。5) 水稳性:浸水2h后, 改良前膨胀土素土击实样即完全崩解;经石灰改良以后, 浸水48h无崩解;重型击实试样, 养护7d浸水7d～14d, 其无侧限强度大于1MPa, 这说明膨胀土经石灰改良后水稳性大大提高。

参考文献

[1]TB 10621-2009, 高速铁路设计规范 (试行) [S].

[2]郑大为, 王炳龙, 周顺华, 等.合宁快速客运专线膨胀土不同刚度路堤振动特性研究[J].岩石力学与工程学报, 2006, 25 (2) :18-19.

[3]朱忠林, 马伟斌, 史存林.合宁线试验段路堑基床地基动力特性试验研究[J].铁道建筑, 2007 (2) :44-45.

[4]李庆鸿.新建时速200公里铁路改良膨胀土路基施工技术[M].北京:中国铁道出版社, 2007.